П’єзоелектричний випромінювач (п’єзодинамік) – це електроакустичний прилад, здатний відтворювати звукові хвилі завдяки зворотному п’єзоелектричному ефекту (від грец. рiézō – тиснути).
З чого складається п’єзодинамік?
П’єзодинамік складається з шару п’єзоелектрика (або декількох шарів), який нанесений на металеву пластину (мембрану) товщиною до 1.5мм. П’єзоелектрик виготовлений з діелектричних матеріалів, які мають властивість п’єзоефекту. Один з таких матеріалів – цирконат-тітонату свинцю. Зовнішня сторона п’єзоелектрика покривається струмопровідним напиленням.
Металева пластина і напилення є контактними виводами п’єзодинаміка. До них підводиться живлення за допомогою проводів або контактних груп.
Для посилення звуковипромінюючих властивостей п’єзодинамік можуть поміщати в корпус, який служить свого роду рупором. Корпус для п’єзодинаміка може бути пластиковий, керамічний або металевий. Конфігурація в основному однотипна: заглиблення в корпусі, яке створює додатковий резонанс та отвір в центрі – для виходу звукових хвиль.
Деякі моделі доповнюють дифузором або діафрагмою, які безпосередньо пов’язані з мембраною і повторюють її коливання. Можуть бути додані елементи для кріплення і вбудовані чіпи.
Принцип роботи п’єзодинаміка
Прямий п’єзоелектричний ефект був відкритий в 1880 році братами П’єром і Жаком Кюрі. Полягає він в поляризації п’єзоелектрика при механічному впливі на нього та деформації. Через рік був доведений і зворотний ефект.
Зворотний п’єзоелектричний ефект полягає в механічній деформації п’єзоелектрика під впливом електричного поля.
При подачі напруги на п’єзодинамік, шар п’єзоелектрика деформується, то зменшуючи, то збільшуючи відстань до мембрани. Таким чином створюється ефект конденсатора, де між двома обкладинками накопичується електричний заряд. У момент зарядки і розрядки він випромінює звукову хвилю.
При підключенні п’єзодинаміка до чутливих мікроконтролерів, не забувайте, що в разі механічної деформації п’єзодинаміка (удар, падіння), ви викликаєте прямий ефект. Після удару струм надходить по ланцюгу до контролера, який може вивести його з ладу. У таких випадках обмежуйте струм опором по входу п’єзодинаміка.
Використання п’єзодинаміків
Звукове сповіщення – сама елементарна функція п’єзодинаміка. Цю властивість застосовують у виробництві побутової техніки. Наприклад, пральна машина, по закінченню прання, заграє веселу мелодію. Комп’ютер при включенні інформує про стан всіх модулів коротким сигналом. Будильник “пікає” в заданий час.
Друге застосування п’єзодинаміка – аудіопристрої. Наприклад, замість електродинамічного високочастотного динаміка, на музичних акустичних системах може бути встановлений п’єзодинамік. Також п’єзодинаміки використовують при виготовленні мобільних телефонів.
Виробництво більш гнучких п’єзоелектриків і збільшення їх товщини на мембрані, дозволили використовувати їх також в якості низькочастотних джерел звуку.
Системи сповіщення не обходяться без п’єзодинаміків – в умовах шумового фону вони є найкращим рішенням для передачі звуку на великі відстані.
П’єзодинаміки стабільно працюють при випромінюванні високочастотних звукових хвиль, які людське вухо не чує (ультразвук). Сучасні п’єзодинаміки здатні генерувати звукові хвилі з частотою до 1000 МГц. Ця особливість дозволяє застосовувати їх як в простих пристроях (наприклад, для відлякування комах), так і в складному медичному обладнанні.
Дефектоскопи
Медичне обладнання для досліждень (УЗД)
Косметологія
Ультразвукові інструменти з п’єзодинаміком застосовуються для безболісного, глибокого очищення шкіри.
Потужні п’єзодинаміки можуть випромінювати звук з силою, що перевищує больовий поріг – більш 130дБ. Такі моделі використовують в промисловості, наприклад, для очищення великогабаритних деталей від іржі та інших забруднень. Існують таклж побутові ультразвукові ванни меншої потужності, які з легкістю приберуть все зайве з поверхні предметів, наприклад, прикрас.
Музична листівка – ще один приклад застосування, який всі ми добре знаємо.
Різновиди, позначення п’єзодинаміків
П’єзоелектричні випромінювачі на схемі позначаються так:
Варіант BF1 іноді називають телефонним капсулем.
Символ всередині говорить про те, що елемент має п’єзоелектричний характер роботи. Деякі виробники в своїх схемах можуть не вказувати його. Позначення представлені такими комбінаціями букв: HA, HF, BA, BQ.
Сам по собі п’єзодинамік не вимагає дотримання суворої полярності при підключенні, так як здатний працювати від змінного джерела струму. Але звучати він буде по-різному: в залежності від того, до якого з контактів підключається вхідний сигнал. Більшість виробників позначають контакт вхідного сигналу знаком “+”.
Основний варіант підключення – мембрана ( “-“), напилення ( “+”). Але краще звірятися зі специфікаціями виробника.
Максимальний результат випромінювання звукових хвиль досягається за рахунок подачі на п’єзодинамік вхідного сигналу за певним графіком. Тоді випромінювач працює в режимі його резонансної частоти. Наприклад, звичайний “пищик” в будильнику, як і безліч інших моделей п’єзодинаміків, ефективно працюють по такому графіку вхідного сигналу:
Багато виробників встановлюють всередині корпусу п’єзодинаміка мікроконтролер, який і задає потрібну частоту. У такому випадку підключення вимагає суворого дотримання полярності, а п’єзодинамік може мати більше двох контактів.
Ще один представник багатоконтактних п’єзодинаміків – трьохконтактний з виведенням сигналу зворотного зв’язку.
Третій контакт з малою площею покриття відправляє імпульси, утворені на гранях пьезоелектрика при деформації, викликаної напругою основного покриття. Таким чином п’єзодинамік відправляє інформацію до детектору про те, що спрацював. У ролі детектора виступає транзистор або контролер. З його допомогою легко скласти звуковий генератор на одному транзисторі.
Подібна схема підключення використовувалася в телефонних апаратах аналогового типу, коли роль дзвінка у пристрої виконував динамік.
Маркування п’єзодинаміків
Сучасне маркування п’єзоелектричних випромінювачів не має загальноприйнятих стандартів. Два прилади з однаковими характеристиками від різних виробників можуть маркуватися по-різному.
З основних характеристик п’єзодинаміка виробники вказують:
- Рекомендована напруга (В);
- Гучність (дБ);
- Резонансна частота (Гц);
- Ємність (Ф).
Амплітудно-частотна характеристика
Не на всіх частотах п’єзодинамік звучить з однаковою силою. Це викликано не слабкою вхідною напругою, а властивістю п’єзодинаміка досягати максимального резонансу на певних частотах звучання.
все понятно пробовал